高电子迁移率晶体管

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1、6高电子迁移率晶体管（HEMT）本章内容21.HEMT的基本结构和工作原理2.HEMT基本特性3.赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)4.HEMT应用领域6.1HEMT的基本结构和工作原理3HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结，在图中示出了AlGaAs/GaAs异质结HEMT的结构；在宽禁带的AlGaAs层（控制层）中掺有施主杂质，在窄禁带的GaAs层（沟道层）中不掺杂（即为本征层）AlGaAs层通常称为控制层，它和金属栅极形成肖特基势垒结，和GaAs层形成异质结HEMT的基本结构6.1HEMT的基本结构

2、和工作原理4这里AlGaAs/GaAs就是一个调制掺杂异质结，在其界面、本征半导体一边处，就构成一个电子势阱（近似为三角形），势阱中的电子即为高迁移率的二维电子气（2-DEG），因为电子在势阱中不遭受电离杂质散射，则迁移率很高。这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”（即不复合，因为电子与杂质中心在空间上是分隔开的），则HEMT有很好的低温性能,可用于低温研究工作(如分数量子Hall效应)中。异质结界面附近的另一层很薄的本征层（i-AlGaAs），是用于避免势阱中2-DEG受到n-AlGaA

3、s中电离杂质中心的影响，以进一步提高迁移率。6.1HEMT的基本结构和工作原理5HMET的能带图：AlGaAs的禁带宽度比GaAs大，所以它们形成异质结时，导带边不连续，AlGaAs的导带边比GaAs的高实际上就是前者的电子亲和能比后者的小，结果电子从AlGaAs向GaAs中转移，在GaAs表面形成近似三角形的电子势阱6.1HEMT的基本结构和工作原理6对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的(厚度一般为数百nm,掺杂浓度为~/cm3)。若n-AlxGa1-xAs层厚度

4、较大、掺杂浓度又高，则在Vg=0时就存在有2-DEG,为耗尽型器件，反之则为增强型器件(Vg=0时Schottky耗尽层即延伸到i-GaAs层内部)；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高,则工作时就不能耗尽,而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。总之，对于HEMT，主要是要控制好宽禁带半导体层——控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。6.1HEMT的基本结构和工作原理7HEMT又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等HEMT是利用具有很

5、高迁移率的所谓二维电子气来导电的。6.2HEMT的基本特性81、电荷与电压的关系:金属接触的势垒高度：所加栅压：异质结材料导带边的能量差：2DEG的费米势：控制层的介电常数6.2HEMT的基本特性92、电流与电压的关系1.长沟道：沟道电流为：此时，跨导为当增加到时,沟道夹断,即得到饱和电流：此时跨导为6.2HEMT的基本特性102、电流与电压的关系1、短沟道（L≈1μm）：沟道电流为：电流饱和区的跨导为6.2HEMT的基本特性11HMET的特点：非常高的截止频率fT；非常高的工作速度；短沟道效应较小；噪声性能

6、好6.3赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)12PHEMT(PseudomorphicHEMT)即赝配高电子迁移率晶体管。其主要结构特点是用非掺杂的InGaAs层代替普通的HEMT中的非掺杂GaAs层作为2DEG沟道层；形成n-AlGaAs/i-InGaAs/i-GaAs的核心结构。PHEMT的基本结构以及其能带图6.3赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)13PHEMT较之常规HEMT有以下优点：InGaAs层二维电子气的电子迁移率和饱和速度皆高于GaAs，前者电子饱和漂移速度达到了7.4×1017cm2V-

7、1S-1，后者为4.4×1017cm2V-1S-1，因此工作频率更高。InGaAs禁带宽度小于GaAs，因此增加了导带不连续性。300K时GaAs禁带宽度为1.424eV，InGaAs为0.75eV。InGaAs禁带宽度低于两侧AlGaAs和GaAs材料的禁带宽度，从而形成了量子阱，比常规HEMT对电子又多加了一个限制，有利于降低输出电导，提高功率转换效率。对InGaAs两侧调制掺杂，形成双调制掺杂PHEMT，双调制掺杂PHEMT的薄层载流子浓度是常规PHEMT的二倍，因此有非常高的电流处理能力。对于1μm栅

8、长的器件，在300K和77K下已分别达到430mA/mm和483mA/mm的水平。6.3赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)14双调制掺杂PHEMT能带图6.4HEMT应用领域15微波低噪声放大高速数字集成电路高速静态随机存储器低温电路功率放大微波震荡谢谢